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光纤光栅调谐方法的调研 1 引言 光纤通信领域经常使用光纤光栅作为光滤波器，主要是利用其特殊的折射率 调制和光谱特性。光纤光栅应用于光滤波器时通常是预先设定固定波长, 这使得 它应用的灵活性受到了很大的限制。如果采用可调谐光纤光栅就可以较好地解决 这一问题，通过光纤光栅的调谐可以选择不同波长的光信号滤出。近年来光纤光 栅调谐的研究正在蓬勃兴起, 在理论上和实验中都取得了一定的研究成果。通过 调研，我们将在本文中简单介绍一些光纤光栅的调谐方法。 2 光纤光栅调谐方法 2.1 利用压电陶瓷拉伸光纤光栅 压电陶瓷具有压电效应, 当给它加上一定的电压时, 它将产生一定的形变, 利用这一特性, 可以采用压电陶瓷来拉伸光纤光栅。其结构如图1所示。压电陶 瓷的左右两端与光纤光栅的两端紧紧粘在一起, 在其上下边加上稳定的高电压 时, 压电陶瓷将向左右两端膨胀, 以致拉伸光纤光栅使其光栅周期Λ变大, 从 而使其中心波长向长波方向移动。光纤光栅中心波长在1550nm 左右时(以下在没 有作专门的说明时, 光纤光栅中心波长都是在1550nm左右),压电陶瓷拉伸光纤 光栅的调谐率一般小于24 nm ∕100 V , 如果要达到15 nm 的调谐量, 则需要 近1 000 V 的电压。压电陶瓷拉伸光纤光栅的方法的优点是: 结构简单, 容易实 现, 调谐速度比较快; 缺点是: 需要很高的电压。 2.2 利用磁铁的互作用力拉伸光纤光栅 电磁铁排斥拉伸光纤光栅的结构如图2 所示。两个电磁铁与光纤光栅的两端 紧紧粘在一起, 当给电线圈加上相反的脉冲电流时, 两个电磁铁产生的磁场相 互排斥, 以致拉伸光纤光栅使其中心波长向长波方向发生改变。由于电磁铁的铁 芯是采用很强的磁滞性材料做成的, 因而当电流断开之后, 两个电磁铁由于剩 磁力的作用将仍然拉伸着光纤光栅, 使其中心波长保持不变, 这样就可以节省 功耗。当给电线圈再加上不同的脉冲电流时, 两个电磁铁的磁场将发生改变, 以 致再次调谐光纤光栅的中心波长。利用电磁铁拉伸光纤光栅的调谐范围可达到15 nm左右。电磁铁拉伸光纤光栅的方法的优点是: 功耗小,调谐速度比较快; 缺点 是: 在调谐的初始阶段, 电磁铁带动着光纤光栅将在受力平衡点附近左右震荡 一段时间, 然后由于阻尼的作用稳定下来。 2.3 同时压缩光纤光栅和有机物聚合体 同时压缩光纤光栅和有机物聚合体的结构如图3 所示。光纤光栅被埋在一种 特殊的有机物聚合体中, 该有机物聚合体具有很强的弹性。当使用应力压缩有机 物聚合体时, 也同时对光纤光栅进行了压缩,使其中心波长向短波方向移动, 达 到了调谐的目的。当撤消应力时, 由于弹性的作用, 有机物聚合体将完全恢复原 样, 被埋在其里面的光纤光栅的中心波长也将恢复成原来的值。 采用拉伸的方 法调谐光纤光栅时, 由于光纤光栅有一定的弹性范围, 因而有可能被拉断, 而 采用这种压缩的方法, 由于光纤光栅的压缩范围相对更大一点, 因此, 这种方 法可调谐范围将达到20 nm 左右。压缩光纤光栅和有机物聚合体的方法的优点 是: 调谐范围比较大; 缺点是: 时间长了以后, 有机物聚合体弹性恢复能力降 低, 光纤光栅中心波长的调谐范围将受到影响。 2.4 利用有机物聚合体热胀冷缩的特性来调谐光纤光栅 这种方法的结构类似于图3, 只不过这里的有机物聚合体具有很大的热胀系 数, 是通过温度来调谐的。当升高有机物聚合体的温度时, 利用有机物聚合体的 膨胀伸长作用, 拉伸里面的光纤光栅, 使其中心波长向长波方向移动; 当降低 有机物聚合体的温度时, 光纤光栅将被压缩, 其中心波长向短波方向移动。 这 样通过改变有机物聚合体的温度就可以达到调谐的目的。 采用这种方法既可以 拉伸光纤光栅, 又可以压缩光纤光栅, 因而调谐范围比较大, 可达到30 nm 左 右。 由于是利用有机物聚合体的温度作为参数来进行调谐, 与外界环境温度没 有关系, 因而这种方法也就自然而然地解决了光纤光栅的温度补偿问题。这种方 法的难点在于: 要寻找到符合要求的有机物聚合体材料。利用有机物聚合体热胀 冷缩的特性来调谐光纤光栅的方法的优点是: 结构简单, 调谐范围比较大,光纤 光栅中心波长比较稳定, 不受外界环境温度影响; 缺点是: 调谐速度比较慢。 2.5 电加热金属外包层拉伸光纤光栅 用电加热金属外包层来拉伸光纤光栅的结构如图4 所示。在光纤光栅外面镀 上一层金属包层, 当有电流通过金属包层时, 金属包层发热而膨胀伸长, 它将 拉伸里面的光纤光栅, 使其中心波长向长波方向移动。由于金